Что такое перекос фаз в трехфазной сети и как его проверить

Перекос фаз в трехфазной сети: причины, защита и способы устранения

При эксплуатации силовых сетей 380 Вольт возможны нарушения, существенно влияющие на качество поставляемой потребителю электроэнергии. Одно из таких отклонений – перекос фаз, проявляющийся в неравномерном их распределении по подключенным к линии нагрузкам.

Результатом этого эффекта является существенное снижение мощности включенного в промышленную трехфазную сеть оборудования (трансформаторов или двигателей, в частности). В домашних условиях оно чревато повреждением бытовой техники, подключенной к одной из фаз электросети загородного дома.

Это объясняется тем, что напряжение в ней становится сильно заниженным или наоборот – превышает допустимую норму. Для предупреждения негативных последствий разного напряжения на фазах 380 Вольт разработан ряд организационных и технических мер.

Допустимые нормы перекоса

Для ограничения допустимых отклонений напряжений из-за перекоса фаз разработаны нормативы, регламентирующие их значения для промышленных силовых сетей. При превышении этих норм появляется реальная опасность выхода из строя силового оборудования, подключенного к данной линии. Их точные значения приводятся в соответствующих ГОСТах и других документах, определяющих порядок эксплуатации электрооборудования (в ПУЭ, например).

В соответствие с нормативами устанавливаются фиксированные соотношения между номиналами напряжений и токов в наименее и наиболее нагруженных участках линий. Для силовых распределительных щитов оно не должно превышать 30%, а для вводов в частные дома (ВРУ) – 15%. Согласно действующим ГОСТам допустимый перекос фаз по отдельным линиям с обратными токами не может быть более 2-х процентов, а по нейтральной жиле трансформатора – 4 процентов.

Нарушение симметрии в высоковольтных сетях

Инверторные сварочные аппараты способны нарушить распределение нагрузки тока

В сетях высокого напряжения появление нежелательной асимметрии связано с наличием мощных однофазных нагрузок или трехфазных потребителей с неодинаковым распределением по фазам.

Источниками перекоса в промышленных сетях 0,38-10 кВ являются различные типы плавильных электропечей (рудотермические, индукционные и подобные им нагревательные установки).

К перечню создающего асимметрию оборудования следует отнести инверторные сварочные аппараты, отличающиеся высокими токами потребления и способными нарушить равномерность распределения по нагрузкам.

Мощными источниками опасной асимметрии являются тяговые подстанции железнодорожного транспорта, поскольку современные электровозы представляют собой однофазные потребители электрической энергии. Их мощность достигает нескольких сотен киловатт, что только увеличивает вероятность нарушений при распределении нагрузок.

Убедиться в их наличии можно с помощью специальных токоизмерительных клещей, посредством которых удается проверить цепи, работающие с перегрузкой. При обнаружении в одной из фаз токовых значений, заметно превышающих допустимые величины, можно смело говорить о наличии опасного перекоса.

Негативное влияние перекоса напряжений и токов

Перекос фаз может привести в негодность электрооборудование

На появление фазной асимметрии необходимо оперативно реагировать по таким причинам:

• В этом случае реальна угроза повреждения подключенных к данной сети приборов или же ухудшение их рабочих показателей.
• Это приводит к нарушениям в работе источников электроэнергии (трансформаторов подстанции, в частности).
• Еще одно следствие ненормального распределения фаз – уменьшение срока эксплуатации станционного оборудования.

Для рядового потребителя последствия асимметрии выливаются в увеличение расходов на электричество, ремонт бытовых приборов, а также в возможность получения травм. Если перекос в линии вызван разрушением нулевого провода, условия для защиты от электрического удара заметно ухудшаются. Обрывается шина устройства заземления (ЗУ), смонтированного на трансформаторной подстанции, в отсутствии местного контура пользователь остается абсолютно беззащитным.

Причины перекоса

Авария, которая напрямую влияет на перекос фаз – обрыв нуля, так как именно этот провод играет роль баланса в трехфазной сети. Как известно, при надлежащей работе сети из трех фаз напряжение в обоих фазных проводах составляет 220В.

Второй фазный провод начинает выдавать 380В – как вы думаете, что в этом случае происходит с бытовой техникой в доме? Конечно, она начинает выходить из строя, сильно пострадает та техника, которая находится на самом конце сети. Тем более что не все автоматы отключаются сразу. В такой ситуации приборы могут воспламениться, как и проводка. Как видим, обрыв нуля в сети вызывает непоправимые последствия, которые опасны для человека, так как отсутствие заземления может привести к поражению током, при включенных приборах.

Схема работы перекоса фаз в трехфазной сети

Еще одной причиной перекоса считается неправильное распределение напряжения в частном доме с трехфазной сетью. Например, бытовая техника, которая потребляет много энергии, сгруппирована в одном месте, и все они включены в одну розетку, а все остальные свободна. И если провести исследования сети, то на свободной фазе напряжение будет гораздо больше, чем на загруженной. Конечно, автоматы могут прекратить подачу электричества в перегруженную сеть, просто отключив фазную сеть.

Но давайте представим такую ситуацию, что автомат заклинило. Что может произойти? Перегрев проводки, деформация и возгорание, так что даже без обрыва нуля, может случиться перекос. Избежать этого просто – достаточно правильно распределить приборы, потребляющие электричество.

Специфика подачи напряжения

По типу электрического тока напряжение бывает переменным и постоянным. При разной форме переменного тока изменяется его величина и значение. В то время, как у постоянного тока сохраняется одна и та же полярность знака, а вот величина может изменяться.

Напряжение, присутствующее в современных розетках, имеет переменную синусоидальную форму. Его значение бывает следующих видов:

• Амплитудным – указывает на размер размаха синусоиды по отношению к нулю в вольтах;
• Действующим – это значение, которое в √2 или 1,41 раз меньше предыдущего;
• Мгновенным – значение указывает на интенсивность напряжения в вольтах в определенные моменты времени.

Как защититься?

Узнав об опасности, представляемой потерей нуля, предлагаем рассмотреть варианты защиты от данного явления:

• Начать необходимо с грамотного монтажа электропроводки. Если для питания объекта планируется задействовать трехфазную схему электроснабжения, то ее расчет должен быть произведен таким образом, чтобы минимизировать вероятность перекоса фаз. То есть, необходимо планомерно распределить нагрузку на каждую линию.
• Следует задействовать в управлении сетью приборы, выравнивающие нагрузку на каждую из фаз. Причем, в идеале, эта работа должна осуществляться без привлечения операторов, то есть, выполняться автоматически при обрыве нуля.
• Должна иметься возможность оперативного изменения схемы подключения потребителей. Это позволяет внести корректировки, если на этапе проектирования не была должным образом учтена нагрузка на каждый участок или увеличилась мощность потребления в связи с вводом новых объектов. То есть, при возникновении критической ситуации должна иметься возможность изменения мощности. В качестве примера можно привести вариант, когда многоквартирный дом переводится на линию с большей нагрузкой для «разбавления» перекоса фаз, возникающего при обрыве нуля.

В приведенных выше вариантах мы рассматривали защиту от перекосов в глобальных масштабах, конечный потребитель может обеспечить должный уровень защиты значительно проще. Для этого достаточно установить реле контроля напряжения, в котором указать допустимый минимальный и максимальный уровень. Как правило, это ±10% от нормы.

Причины возникновения перекоса фаз

Условно причины возникновения перекоса фаз можно разделить на внешние и внутренние.

Внутренние причины связаны с потребителями электроэнергии, которые неравномерно загружают фазы сети без учета мощности однофазных электроприемников, коэффициента одновременности их включения, подключают мощные двухфазные электроприемники к бытовым розеткам.

В реальной жизни причиной перекоса фаз является неравномерность загрузки не только по величине, но и по характеру нагрузки. Нагрузка может быть активной (резистивной) — (R) или реактивной: индуктивной (L) или емкостной (С).

Внешние причины возникновения перекоса фаз могут быть связаны с неисправностями в распределительной сети (например, в высоковольтных линиях электропередач (ЛЭП) при высокой влажности и дефектах в гирляндах изоляторов или разрядников отдельных фаз) или наличием мощных потребителей, включенных на две фазы, т.е. на линейное напряжение (например, потребители тяговых сетей или электродвигатели электропоездов).

Также причины могут быть комбинированными (внешними и внутренними).

Защита в однофазной сети

В данном случае повлиять на внешние проявления системы электроснабжения не представляется возможным, например, если фазы перегружены, потребители электроэнергии не могут исправить ситуацию. Все, что можно сделать, это обезопасить электрооборудование путем установки реле напряжения и однофазного стабилизатора.

Имеет смысл установить общее стабилизирующее устройство на всю квартиру или дом. В этом случае необходимо высчитать максимальную нагрузку, после этого добавить запас 15-20%.. Это запас на будущее, поскольку со временем количество электрооборудования может увеличиться.

Совсем не обязательно подключать к стабилизатору сети все оборудование, некоторые виды приборов (например, электропечи или бойлеры), могут быть подключены к реле напряжения (через АВ) напрямую. Это позволит сэкономить, поскольку устройства меньшей мощности стоят дешевле.

Перекос фаз в трехфазной сети: причины и последствия

У конечных потребителей сетей централизованного электроснабжения, которое является трёхфазным, применяется напряжение 220 В. Это фазное напряжение. Три фазы распределяются между несколькими потребителями.

Они подключаются к сети не одновременно и с неодинаковыми нагрузками.

Поэтому необходимо использование нейтрали чтобы обеспечивать подачу фазного напряжения каждому потребителю при несимметричной нагрузке в этой трёхфазной сети.

Суть проблемы

Но поскольку существует ограничение по мощности конечных трансформаторных подстанций, при упомянутых выше нагрузках величины фазных напряжений изменяются соответственно нагрузкам.

У более нагруженной фазы напряжение уменьшается например до 195 – 205 В, а менее нагруженной увеличивается до 245 В и более.

Последствием таких нагрузок является ток в нейтрали, который по своей величине может быть близким к току нагруженной фазы.

Как следствие этого – увеличение потерь. Они есть в кабельных и воздушных линиях электропередачи, трансформаторных подстанциях, и даже в высоковольтных ЛЭП питающих эти подстанции.

Особенно характерно такое «смещение нейтрали» – термин, характеризующий фазные напряжения при несимметричных нагрузках в трёхфазной сети, для жилого сектора потребителей электроэнергии.

При этом повышение напряжения является небезопасным для некоторых бытовых электроприборов.

Совет

Используемые в инфраструктуре жилого фонда трёхфазные асинхронные двигатели уже при двухпроцентной асимметрии испытывают дополнительный нагрев обмоток, что заметно сокращает срок службы изоляции.

Причём дальнейшее увеличение асимметрии в разы, то есть всего лишь до 4 – 6% вызывает рост общих потерь почти в два раза. То же относится и к лампам накаливания и люминесцентным лампам.

При повышении напряжения всего лишь на пять процентов спирали в них почти в два раза быстрее перегорают.

Что делать при перекосе фаз?

Чтобы уменьшить смещение нейтрали перед подстанциями рекомендуется устанавливать специальные симметрирующие автотрансформаторы. Схемы включения таких трансформаторов приведены ниже на изображениях.

Приведенные выше схемы применимы также с глухо заземлённой нейтралью нагрузки при отсутствии технической возможности встраивания компенсационной автотрансформаторной обмотки в нулевой провод, соединяя через эту обмотку нагрузку с сетью.

Поскольку увеличение нагрузки например в фазе А вызовет увеличение тока в этой фазе, напряжение на соответствующей последовательно включённой обмотке автотрансформатора тоже увеличится и произойдёт компенсация падения напряжения пропорциональная силе тока нагрузки. Установка автотрансформаторов вблизи распределительной подстанции обеспечивает наилучший эффект. Когда с этой подстанции электроэнергия по разделённым фазам подаётся потребителям, становится возможным симметрирование напряжения.

Работа этих устройств вносит искажения в синусоидальную форму напряжения питающей электросети.

Следствием подобных искажений являются тепловые потери во всех работающих электрических машинах, подключенных к этой электросети.

Компенсация смещения нейтрали с использованием специального автотрансформатора весьма недешёвый способ борьбы с потерями электроэнергии при смещении нейтрали при несимметричной фазной нагрузке. Однако положительный эффект от этого способа получается непрерывно и быстро окупает все расходы.

Расчет токов КЗ для трехфазных сетей

Для того чтобы определить ток трехфазного короткого замыкания в соответствующих сетях, следует обязательно учитывать специфику возникновения и развития этого процесса. Прежде всего, это индуктивность, возникающая в замкнутом проводнике, из-за чего ток трехфазного КЗ изменяется не мгновенно, а нарастает постепенно в соответствии с определенными законами.

Точность производимых вычислений зависит в первую очередь от расчетов основных величин, вставляемых в формулу. С этой целью используются дополнительные формулы или специальное программное обеспечение, выполняющее сложнейшие вычислительные операции за очень короткое время.

Если же расчеты в трехфазных сетях выполняются ручным способом, в таких случаях нужные результаты про ток КЗ формула, приведенная ниже, позволяет определить с достаточно точными показателями:

Советуем изучить Разделение автоматических выключателей по время токовым характеристикам

Iкз = Uc/(√3*Хрез) = Uc /(√3*(Хсист + Хвн)), в которой Хвн является сопротивлением между шинами и точкой КЗ, Хсист – это сопротивление во всей системе относительно шин источника напряжения, Uc – напряжение на шинах в данной системе.

При отсутствии какого-то из показателей, его значение определяется с использованием дополнительных формул или программ. Если же расчеты трехфазного КЗ производятся для сложных сетей с большим количеством разветвлений, в этом случае основная схема преобразуется в схему замещения, где присутствует лишь один источник электроэнергии и одно сопротивление.

Сам процесс упрощения производится в следующем порядке:

• Складываются все показатели сопротивлений, подключенных параллельно в данной цепи.
• Далее суммируются все сопротивления, подключенные последовательно.
• Результирующее сопротивление Хрез определяется как сумма всех подключенных параллельных и последовательных сопротивлений.

Расчеты токов двухфазного короткого замыкания выполняются с учетом отсутствия у них симметричности. У них нет нуля, а присутствую токи, протекающие в прямом и обратном направлении. Таким образом, ток двухфазного КЗ рассчитывается последовательно, по отдельным формулам, используемым для каждого показателя.

Перекос фаз: определение, причины его возникновения и способы защиты

В однофазном режиме значение напряжения должно составлять 220 вольт, а при трёхфазном — 380 вольт. Но в реальности эти числа практически не встречаются.

Поэтому проверив значение напряжения в розетке, можно наглядно убедиться в существовании перекоса фаз.

Чтобы приблизить значение напряжения к стандартным значениям, необходимо понимать, что подразумевается под словосочетанием «перекос фаз», его причинами и возможными способами устранения.

• Суть понятия
• Причины возникновения
• Способы защиты
• Последствия перекоса

Фаза — это электрическая цепь с некоторым значением синусоидальной электродвижущей силы.

Трёхфазная цепь, в свою очередь, состоит из трёх электрических цепей, которые владеют синусоидальной электродвижущей силой с одинаковой амплитудой и частотой тока.

Трёхфазная сеть состоит из трёх синусоидальных токов или напряжений, которые имеют одну частоту и сдвинуты по фазе на угол, равный 120 градусам.

Если потребителей электрической энергии подключить к фазам сети неравномерно — например, большинство сосредоточить в одной, а в двух других их будет гораздо меньше — это приведёт к асимметрии напряжения. При этом в трёхфазных четырёхпроводных сетях несимметричность параметров будет менее заметна, так как нулевой провод выравнивает неравномерность напряжения по фазам.

Причины возникновения

Нарушение симметричности напряжений в трёхфазной цепи — нежелательная ситуация. Поэтому для того чтобы её устранить, необходимо понять, почему она может возникнуть. Причины перекоса фаз в трёхфазной сети сводятся к основным трём обстоятельствам:

• неравномерное группирование потребителей;
• отсоединение нулевого провода;
• замыкание фазного провода на землю.

При неправильном распределении потребителей в трёхфазной трёхпроводной цепи, напряжение на них будет существенно отличаться. Потребители, обладающие наименьшим сопротивлением, окажутся под повышенным напряжением. Токоприёмники с большим значением сопротивления будут иметь напряжение, не достигающее оптимального значения.

На источниках электроэнергии неравномерное распределение напряжения по фазам скажется в виде увеличенного потребления энергии, повреждений изоляции, износа, сокращение срока службы. При использовании автономного дизельного генератора увеличится расход топлива и охлаждающего вещества.

Снижение качества электрической изоляции для потребителей чревато такими последствиями:

• повреждение, поломка бытовых приборов или электрической проводки;
• возникновение пожара;
• получение травм;
• выход из строя электроприборов.

Способы защиты

Устранить нежелательное явление перекоса можно с помощью организационных мероприятий и установкой защитной аппаратуры.

К организационным мероприятиям относится правильное распределение нагрузки по всем фазам с учётом мощности. Недостатком является тот факт, что при всём желании проектировщика произвести очень точное размещение, особенно при подключении квартир, домов, невозможно.

Защитная аппаратура, которую можно установить:

• Трёхфазный автоматический выключатель.
• Трёхфазный стабилизатор напряжения.
• Реле контроля фаз. Особенно целесообразно использовать реле совместно со стабилизаторами напряжения.
• Симметрирующие трансформаторы. По строению они отличаются от силовых тем, что имеют дополнительную обмотку, которая включается между заземлением средней точки и нулём.

Недостатки трёхфазных стабилизаторов:

• излишний расход электроэнергии;
• низкая надёжность работы из-за частой смены деталей;
• принцип работы, способствующий появлению перекоса фаз.

Последствия перекоса

Наиболее просто обнаружить неравномерность напряжения даже без вольтметра в быту. При его пониженном значении бытовые приборы могут не включаться, осветительные приборы будут гореть очень тускло.

Последствия неравномерного распределения нагрузки:

• ухудшение качества электроэнергии;
• появление уравнительных токов, из-за которых потери электроэнергии увеличиваются;
• неэффективная работа электрооборудования, снижение качества электрической изоляции и, как следствие, уменьшение срока службы аппаратуры.

Перекос фаз — явление крайне нежелательное, но, к сожалению, довольно распространённое при работе электрооборудования. Полностью искоренить его почти невозможно. Поэтому необходимо следить, чтобы отклонения значения напряжений всегда находились в допустимых пределах. Это обеспечит длительный срок службы электроприборов и сохранит здоровье и жизнь обслуживающему персоналу.

Обрыв нуля в трехфазной сети

Обрыв нуля в трехфазной сети может произойти, как от перегрузки, так и от короткого замыкания, или же от того, что в местах соединения плохой контакт. Переходное сопротивление в каком-либо месте этого нулевого провода слишком большое или часть нулевого провода выполнена проводом меньшего сечения. Тогда в этом месте может образоваться разрыв (проводник отгорит).

В электролинии, которая расположена после обрыва, получается перекос фаз. Напряжение, которое поступает в каждую из квартир, будет зависеть от общей суммарной мощности всех электроприборов, подключенных к сети в этих квартирах. В одну часть квартир многоквартирного дома поступает повышенное напряжение, в другие квартиры – пониженное.

Для бытовой техники (любой) очень опасно повышенное напряжение. В квартирах, которые подключены с разных фаз, включение некоторых приборов при обрыве нуля будет не параллельно (на напряжение 220 В), а последовательно (на напряжение 380 В) .

Согласно закону Ома, напряжение (380 В) распределится так, что на маломощных устройствах с большим сопротивлением (компьютеры, телевизоры, DVD-плейеры) напряжение будет повышенное, а на мощных устройствах с небольшим сопротивлением (электрочайник, утюг, пылесос) – пониженное. В итоге: телевизор сгорит, а чайник не закипит.

При пониженном напряжении из строя выходит в основном техника, которая имеет электродвигатели (холодильники, вентиляторы, вытяжки, кондиционеры, стиральные машины и другие). Пусковые токи электродвигателя при понижении напряжения возрастают: мощность та же, напряжение упало, ток вырос. Электродвигатель сгорит, так как его обмотка не выдерживает увеличенный пусковой ток.

Для того чтобы защитить приборы от перепада напряжений (защита от обрыва нуля), необходимо применение специальных устройств – реле минимального и максимального напряжения. Они контролируют величину напряжения в квартире и их можно устанавливать и в квартире, и в квартирный щиток на лестничной клетке. Выходное напряжение они не стабилизируют, но, отключив напряжение, спасут бытовую технику. При недопустимых отклонениях напряжения реле срабатывает и отключает квартиру от электросети.

По начальному состоянию контактов

Замкнутое, разомкнутое, переключающимися контактами

По типу управляющего сигнала

Рис.1 Реле напряжения “Зубр”, “ZUBR”

Установка реле напряжения — защита от обрыва нуля. Что такое реле напряжения. Это — устройство защиты приборов, от перепадов напряжения, и предназначено (служит, используются) для автоматического отключения напряжения, при его изменении в аварийный предел, в результате обрыва нуля или других непредвиденных аварийных моментах. И автоматического включения, через заданный промежуток времени, после нормализации напряжения. Реле напряжения позволяет защитить электроприборы подключенные к электросети от опасных для них перепадов напряжения. При всех недопустимых изменениях напряжения (снижении или повышении, как резком так и постепенном), реле напряжения. отключит электроприборы от сети до тех пор, пока напряжение в сети не вернется в допустимые пределы.

Пару случаев из жизни:

1. Электрики ремонтировали ввод в подъезд. И во время ремонта на несколько секунд был отключен рабочий ноль. Произошло очень неприятное. Вернувшись домой вечером, люди обнаружили, что у них погорели телевизоры, зарядки, и т.п. — то, что у нас постоянно включено в розетки. Хорошо, что ещё не произошел пожар.

2. Пришёл электромонтер по вызову, жалоба — плавает напряжение. Меряет напряжение (всё выключено) — почти 300 вольт. Затем при включении лампы накаливания напряжение падает до 70В… Оказалось, в этажном щитке выгорел болт, на который приходит ноль. Произошел обрыв нуля, перекос фаз, напряжения пошли вразнос. Заменил болт, восстановил контакт, напряжение нормализовалось.

Как видно, такие проблемы происходят из-за неправильных действий «электриков» либо из-за самопроизвольного обрыва (отгорания) нулевого провода в старом жилом фонде.

В этой статье рассказывается подробно, почему такое бывает и как с этим бороться.